Американская спутниковая система. Технология глобальной спутниковой навигации: какие бывают системы, параметры и функции. Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора

В статье рассмотрен принцип работы, состав и особенности системы спутникового позиционирования GPS (англ. Global Positioning System).
Навигационная система Global Positioning System (GPS) является частью комплекса NAVSTAR, который разработан, реализован и эксплуатируется Министерством обороны США. Разработка комплекса NAVSTAR (NAVigation Satellites providing Time And Range – навигационная система определения времени и дальности) была начата ещё в 1973 году, а уже 22 февраля 1978 года был произведён первый тестовый запуск комплекса, а в марте 1978 года комплекс NAVSTAR начали эксплуатировать. Первый тестовый спутник был выведен на орбиту 14 июля 1974 года, а последний из 24 необходимых спутников для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 году. Гражданский сегмент военной спутниковой сети NAVSTAR принято называть аббревиатурой GPS, коммерческая эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась в 1995 году.
Спустя более 20-ти лет с момента тестового запуска системы GPS и 5-ти лет с момента начала коммерческой эксплуатации Глобальной системы позиционирования GPS, 1 мая 2000 года министерство обороны США отменило особые условия пользования системой GPS, существовавшие до тех пор. Американские военные выключили помеху (SA – selective availability), искусственно снижающую точность гражданских GPS приёмников, после чего точность определения координат с помощью бытовых навигаторов возросла как минимум в 5 раз. После отмены американцами режима селективного доступа точность определения координат с помощью простейшего гражданского GPS навигатора составляет от 5 до 20 метров (высота определяется с точностью до 10 метров) и зависит от условий приема сигналов в конкретной точке, количества видимых спутников и ряда других причин. Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников. Большинство современных GPS приёмников имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников. Военное применение навигации на базе NAVSTAR обеспечивает точность на порядок выше (до нескольких миллиметров) и обеспечивается зашифрованным P(Y) кодом. Информация в C/A коде (стандартной точности), передаваемая с помощью L1, распространяется свободно, бесплатно, без ограничений на использование.

Основой системы GPS являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте 20180 км. Спутники GPS обращаются вокруг Земли за 12 часов, их вес на орбите составляет около 840 кг, размеры – 1.52 м. в ширину и 5.33 м. в длину, включая солнечные панели, вырабатывающие мощность 800 Ватт. 24 спутника обеспечивают 100 % работоспособность системы навигации GPS в любой точке земного шара. Максимальное возможное число одновременно работающих спутников в системе NAVSTAR ограничено числом 37. В настоящий момент на орбите находится 32 спутника, 24 основных и 8 резервных на случай сбоев.

Слежение за орбитальной группировкой осуществляется с главной управляющей станции (Master Control Station – MCS), которая находится на базе ВВС Шривер, шт. Колорадо, США. С нее осуществляется управление системой навигации GPS в мировом масштабе. База ВВС Шривер (Schriever) является местом размещения 50-го космического соединения США – подразделения командования воздушно-космических сил.

Наземная часть системы GPS состоит из десяти станций слежения, которые находятся на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесения, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане, а также в Колорадо-Спрингс, в мысе Канаверел, шт. Флорида и т.д.. Количество наземных станций непрерывно растет, на всех станциях слежения используются приемники GPS для пассивного слежения за навигационными сигналами всех спутников. Информация со станций наблюдения обрабатывается на главной управляющей станции MCS и используется для обновления эфемерид спутников. Загрузка навигационных данных, состоящих из прогнозированных орбит и поправок часов, производится для каждого спутника каждые 24 часа.

Определение координат и GPS навигация.
Основой идеи определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным. Определение местоположения GPS-приёмника в пространстве осуществляется на базе алгоритма измерения расстояния от точки наблюдения до спутника. Дальнометрия основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить. Приёмники работают в пассивном режиме и вычисляют свои координаты, но это совсем не означает, что координаты GPS-приёмника будут известны кому либо, кроме его владельца. Каждый спутник системы GPS непрерывно генерирует радиоволны двух частот – L1=1575.42МГц и L2=1227.60МГц. Каждый GPS-приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника.
Основная проблема при вычислении расстояния до спутника системы GPS связанна с синхронизацией часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы, которые встроить в обычный GPS-приёмник невозможно. Чтобы скоррелировать временное рассогласование и избежать огромных ошибок в позиционировании, в систему GPS введен принцип избыточности для определения трехмерных координат на поверхности Земли. GPS-приёмник использует сигналы не трех, а как минимум четырех спутников и на основании вспомогательных сигналов вносит все необходимые коррективы в работу своих часов. Кроме навигационных сигналов, спутник непрерывно передает различную служебную информацию. GPS-приёмник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере, а также сведения о работоспособности спутника (так называемых “альманах”, содержащий обновляемые каждые 12.5 минут сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.

Расстояние до навигационных спутников системы GPS обозначим как А, В и С. Допустим, что известно расстояние А до одного спутника. В данном случае координаты GPS-приемника определить нельзя, т.к. он может находится в любой точке сферы с радиусом А, описанной вокруг спутника. Если известна удаленность В приемника от второго спутника, то определение координат также не представляется возможным – объект находится где-то на окружности (показана синим цветом), которая является пересечением двух сфер. Известное расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (обозначены красными точками). Этого уже достаточно для однозначного определения координат GPS-приемника. Не смотря на то, что мы имеем две точки с координатами, только одна находится на поверхности Земли, а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, теоретически для трехмерной GPS навигации достаточно знать расстояния от приемника до трех спутников, но как мы уже говорили GPS-приемник, использует сигналы не трех, а как минимум четырех спутников и на основании вспомогательных сигналов вносит все необходимые коррективы для повышения точности навигации.
Недостатками GPS навигации является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до GPS-приёмника, поэтому практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле. Рабочая частота GPS находится в дециметровом диапазоне радиоволн, поэтому уровень приёма сигнала от спутников может ухудшиться под плотной листвой деревьев, в районах с плотной городской застройкой или из-за большой облачности, а это скажется на точности позиционирования. Магнитные бури и наземные радиоисточники тоже способны помешать нормальному приёму сигналов GPS. Карты, предназначенные для GPS навигации, быстро устаревают и могут быть не точными, поэтому нужно верить не только данным GPS-приёмника, но и своим собственным глазам. Особенно стоит отметить, что работа глобальной системы навигации GPS полностью зависима от министерства обороны США и нельзя быть уверенным, что в любой момент времени США не включит помеху (SA – selective availability) или вообще полностью отключит гражданский сектор GPS как в отдельно взятом регионе, так и вообще. Претенденты уже были. Благо, что у GPS есть альтернатива в виде навигационных систем ГЛОНАСС (Россия) и Galileo (ЕС), которые в перспективе должны получить широкое распространение.

Навигация это определение координатно-временных параметров объектов.

Первым эффективным средством навигации было определение местоположения по видимым небесным телам (солнце, звезды, луна). Другой простейший метод навигации это привязка к местности, т.е. определение местоположения относительно известных ориентиров (водонапорные башни , линии электропередач, шоссейные и железные дороги и др.).

Системы навигации и позиционирования предназначены для постоянного контроля за местонахождением (состоянием) объектов. В настоящее время существует два класса средств навигации и позиционирования: наземные и космические.

К наземным относят стационарные, возимые и переносные системы, комплексы, станции наземной разведки, иные средства навигации и позиционирования. Принцип их действия заключается в контроле радиоэфира посредством специальных антенн, подключаемых к сканирующим радиостанциям, и выделении радиосигналов , излучаемых радиопередатчиками объектов слежения или излучаемых самим комплексом (станцией) и отраженных от объекта слежения либо от специальной метки или кодового бортового датчика (КБД), размещенных на объекте. При использовании такого рода технических средств имеется возможность получить информацию о координатах местонахождения, направлении и скорости перемещения контролируемого объекта. При наличии на объектах слежения специальной метки или КБД устройства идентификации, подключаемые к системам, позволяют не только отмечать местоположение контролируемых объектов на электронной карте, но и соответствующим образом различать их.

Космические системы навигации и позиционирования разделяются на два типа.

Первый тип космических систем навигации и позиционирования отличает применение на мобильных объектах слежения специальных датчиков - приемников спутниковой навигационной системы типа ГЛОНАСС (Россия) или GPS (США). Навигационные приемники подвижных объектов слежения принимают от навигационной системы радиосигнал, который содержит координаты (эфемериды) спутников на орбите и отсчет времени. Процессор навигационного приемника, по данным от спутников (как минимум, от трех) рассчитывает географические широту и долготу его местонахождения (приемника). Эта информация (географические координаты) может быть визуализирована как на самом навигационном приемнике, при наличии устройства вывода информации (дисплея, монитора), так и в пункте слежения, при ее передаче от навигационного приемника подвижного объекта посредством радиосвязи (радиальной, конвенциональной, транкинговой, сотовой, спутниковой).

Второй тип космических систем навигации и позиционирования отличает сканирующий прием (пеленг) на орбите сигналов, поступающих от радиомаяков, установленных на объекте слежения. Спутник, принимающий сигналы от радиомаяков, как правило, сначала накапливает, а затем в определенной точке орбиты передает информацию об объектах слежения в наземный центр обработки данных. Время доставки информации при этом несколько увеличивается.

Спутниковые навигационные системы позволяют:

• осуществлять непрерывный контроль и слежение за любыми подвижными объектами;
• отображать на электронной карте диспетчера координаты, маршрут и скорость движения объектов контроля и слежения (с точностью определения координат и высоты над уровнем моря до 100 м, а в дифференциальном режиме - до 2…5 м);
• оперативно реагировать на внештатные ситуации (изменение ожидаемых параметров на объекте контроля и слежения либо в его маршруте и графике движения, сигнал SOS и т. д.);
• оптимизировать маршруты и графики движения объектов контроля и слежения.

В настоящее время функции специализированных систем навигации и позиционирования (автоматическое отслеживание текущего месторасположения абонентских аппаратов, терминалов связи с целью обеспечения роуминга и предоставления услуг связи) с относительной точностью могут выполнять спутниковые и сотовые (при наличии на базовых станциях аппаратуры определения местонахождения) системы радиосвязи.

Широкое внедрение систем навигации и позиционирования, повсеместная установка соответствующей аппаратуры в сетях сотовой связи России с целью определения и постоянного контроля местонахождения работающих передатчиков, патрулей, транспорта, иных объектов, представляющих интерес для органов внутренних дел, могло бы значительно расширить возможности правоохранительной деятельности.

Основной принцип определения местоположения с помощью спутниковых навигационных систем - использование спутников в качестве точек отсчета.

Для того, чтобы определить широту и долготу наземного приемника, приемник должен получать сигналы не менее чем от трех спутников и знать их координаты и расстояние от спутников до приемника (рис. 6.8). Координаты измеряются относительно центра земли, который имеет координату (0, 0, 0).

Расстояние от спутника до приемника вычисляется по измеренному времени распространения сигнала. Эти вычисления выполнить несложно, так как известно, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света. Если известны координаты трех спутников и расстояния от них до приемника, то приемник может вычислить одно из двух возможных мест в пространстве (точки 1 и 2 рис. 6.8). Обычно приемник может определить, какая из этих двух точек действительная, так как одно значение местоположения имеет бессмысленное значение.

Рис. 6.8. Определение местоположения по сигналам от трех спутников

На практике, для исключения ошибки часов генератора, которое влияет на точность измерений разницы во времени, необходимо знать местоположение и расстояние до четвертого спутника (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Определение местоположения по сигналам от четырех спутников

В настоящее время существуют и активно используются две спутниковые навигационные системы - ГЛОНАСС и GPS.

Спутниковые навигационные системы включают в себя три составные части (рис. 6.10):

• космический сегмент , в который входит орбитальная группировка искусственных спутников Земли (иными словами, навигационных космических аппаратов);
• сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой космических аппаратов;
• аппаратура пользователей системы.

Рис. 6.10. Состав спутниковых навигационных систем

Космический сегмент системы ГЛОНАСС состоит из 24 навигационных космических аппаратов (НКА), находящихся на круговых орбитах высотой 19100 км, наклонением 64,5° и периодом обращения 11 ч 15 мин в трех орбитальных плоскостях (рис. 6.11). В каждой орбитальной плоскости размещаются по 8 спутников с равномерным сдвигом по широте 45°.

Космический сегмент навигационной системы GPS состоит из 24 основных НКА и 3 резервных. НКА находятся на шести круговых орбитах высотой около 20000 км, наклонением 55°, равномерно разнесенных по долготе через 60°.

Рис. 6.11. Орбиты спутников ГЛОНАСС и GPS

Сегмент наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС выполняет следующие функции:

• эфемеридное и частотно-временное обеспечение;
• мониторинг радионавигационного поля;
• радиотелеметрический мониторинг НКА;
• командное и программное радиоуправление НКА.

Для синхронизации шкал времени различных спутников с необходимой точностью на борту НКА используются цезиевые стандарты частоты с относительной нестабильностью порядка 10 -13 с. На наземном комплексе управления используется водородный стандарт с относительной нестабильностью 10 -14 с. Кроме того, в состав НКУ входят средства коррекции шкал времени спутников относительно эталонной шкалы с погрешность 3-5 нс.

Наземный сегмент обеспечивает эфемеридное обеспечение спутников. Это означает, что на земле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этих параметров на заранее определённый промежуток времени. Параметры и их прогноз закладываются в навигационное сообщение , передаваемое спутником наряду с передачей навигационного сигнала. Сюда же входят частотно-временные поправки бортовой шкалы времени спутника относительно системного времени. Измерение и прогноз параметров движения НКА производятся в Баллистическом центре системы по результатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости.

Аппаратура пользователей системы это радиотехнические устройства, предназначенные для приема и обработки радионавигационных сигналов навигационных космических аппаратов для определения пространственных координат, составляющих вектора скорости движения и поправки шкал времени потребителя глобальной навигационной спутниковой системы.

Приемник определяет местоположение потребителя, который отбирает из всех наблюдаемых спутников наиболее благоприятные в части обеспечения точности навигации. По дальностям до выбранных спутников он определяет долготу, широту и высоту потребителя, а также параметры его движения: направление и скорость. Полученные данные отображаются на дисплее в виде цифровых координат, либо отображаться на карте, предварительно скопированной в приемник.

Приемники спутниковых навигационных систем являются пассивными, т.е. они не излучают сигналы и не имеют обратного канала связи. Это позволяет иметь неограниченного количество потребителей навигационных систем связи.

Большое распространение в настоящее время получили системы мониторинга движения объектов на основе спутниковых навигационных систем. Структура такой системы показана на рис. 6.12.

Рис. 6.12. Структура системы мониторинга

Навигационные приемника, установленные на объектах слежения, принимают сигналы от спутников и вычисляют свои координаты. Но, так как навигационные приемники это пассивные устройства, то в системе необходимо предусмотреть систему передачи вычисленных координат в центр мониторинга. В качестве средств передачи данных о координатах объекта наблюдения могут служить УКВ-радиомодемы, GSM/GPRS/EDGE-модемы (сети 2G), сети третьего поколения, работающие по протоколам UMTS/HSDPA, CDMA-модемы, системы спутниковых систем связи и др.

Центр мониторинга спутниковой навигационно-мониторинговой системы предназначен для наблюдения за объектами, на которых установлено (содержится) навигационно-связное оборудование с целью контроля отдельных его параметров (местоположения, скорости, направления движения) и принятия решения на те или иные действия.

В центре мониторинга содержатся программно-технические средства обработки информации, обеспечивающие:

• прием, обработку и хранение информации, поступающей от объектов наблюдения;
• отображение на электронной карте местности информации о местоположении объектов наблюдения.

Навигационно-мониторинговой системой органов внутренних дел решаются следующие задачи:

• обеспечение автоматизированного контроля персоналом дежурной части за расстановкой экипажей транспортных средств;
• обеспечение персонала дежурной части информацией о местонахождении транспортных средств для принятия управленческих решений при организации оперативного реагирования на происшествия в зоне ответственности;
• отображение в графическом формате информации о позиционировании транспортных средств и иной служебной информации на автоматизированное рабочее место оператор;
• формирование и хранение архива о маршрутах движения экипажей транспортных средств в период несения ими службы;
• выдача статистической отчетности о выполнении норм обязательного выставления сил и средств в течение дежурной смены, сводных параметрах эффективности использования сил и средств, показателях контроля зон ответственности.

Для обеспечения высокой надежности и достоверности передачи мониторинговой информации от бортового оборудования автотранспорта подразделений МВД России в дежурные чисти в составе системы необходимо использовать резервный канал передачи данных, в качестве которого можно использовать

Пожалуй, сегодня нет ни одного человека, ведущего активную жизнь, который не знал бы о существовании GPS-навигаторов. За последние несколько лет эти устройства проделали свой путь развития от дорогой автомобильной игрушки до надежного и незаменимого спутника в дороге. Технический прогресс наводнил рынки подобными системами настолько, что теперь каждый желающий может проверить в действии, что такое GPS-навигатор, найдя модель по своим потребностям и финансовым возможностям.

Несомненно, практически каждый автомобилист знаком с ситуацией, когда в дороге без карты просто не обойтись. Теперь атласы автомобильных дорог отступают на второй план, а возить их с собой имеет смысл только как резерв - на всякий случай (если откажет электроника).

Для чего нужен GPS-навигатор?

Основная функция GPS-навигатора заключается в определении вашего точного местонахождения. На цветном мониторе он покажет подробную карту местности, улицу, адреса расположения магазинов, бензоколонок, достопримечательностей и других необходимых автомобилисту объектов. Помимо этого, устройство выберет оптимальный маршрут и даже проведет по нему, предупреждая о возможных препятствиях на пути. Пропустили нужный поворот? Не нужно паники! Автомобильный GPS-навигатор быстро рассчитает и укажет альтернативный путь до пункта назначения. А чтобы водитель не отвлекался, почти в каждой разработке последних лет существует голосовой интерфейс, предупреждающий на русском языке о приближающемся повороте или смене маршрута.

Основные функции

Если устройство GPS-навигации оснащено функцией анализа информации о транспортных потоках и заторах на дорогах, то возможность наиболее оптимально миновать дорожные препятствия вам гарантирована. Особенно это полезно при пересечении незнакомых городов.

GPS-навигатор облегчает езду в ночное время. Он заранее предупреждает о каждом предстоящем повороте, изгибе и уклоне, что позволяет водителю вовремя реагировать на изменения дорожного рельефа.

Одна из серьезных проблем при движении по скоростному незнакомому шоссе - предварительный выбор полосы для последующего съезда в нужном направлении. Совершенный GPS-навигатор с легкостью подскажет, где и на какую полосу следует перестроиться.

Еще одна уникальная способность GPS-навигатора - это умение видеть дорожные знаки и вовремя предупреждать о их наличии. Так что неприятной встречи с дорожной полицией можно избежать, если какой-либо важный знак случайно остался вами не замечен.

Что лучше?

Многие часто задают вопрос: «Зачем покупать автомобильный GPS-навигатор, если в моем мобильном телефоне (коммуникаторе) все функции для связи со спутником уже реализованы?» Вопрос вполне уместный, если учесть, что задают его, как правило, люди, никогда не сидевшие за рулем.

Основное преимущество отдельного автонавигатора - это удобство пользования благодаря большому экрану. Согласитесь, что смотреть одним глазом на дорогу, а другим вглядываться в пятидюймовый смартфон - не совсем комфортно, да и небезопасно. Слышать заботливые подсказки автоответчика приятно, но куда лучше представлять себе картину пути наглядно, когда видно, где находишься и что ждет впереди. Сенсорный интерфейс позволяет управлять программой, водя пальцем по экрану, не отрывая от него взгляд. Конечно, в современных коммуникаторах и карманных компьютерах (КПК) тоже имеется такая возможность. И все бы ничего, если бы не маленький экран и слабочувствительный GPS-модуль.

Встроенный в автомобильный навигатор чувствительный GPS-приемник с мощной антенной позволяет более надежно принимать сигналы со спутника на всем пути следования.

Сердцем автонавигатора является современный процессор, специально разработанный для подобных систем (SIRFatlas) и максимально оптимизированный для анализа спутниковых навигационных сигналов. А это, в свою очередь, позволяет обрабатывать более емкую информацию, выводя на экран такие мелкие детали местности, которые не под силу расшифровать процессору мобильного телефона.

Дополнительные возможности

Автонавигаторы последнего поколения могут выступать в качестве монитора камеры видеонаблюдения, а также телеэкрана для просмотра спутникового телевидения. Звуковой выход можно подключить к автомобильной аудиосистеме, что позволит при помощи регулировки громкости и тембра отчетливо прослушивать навигационные подсказки автоответчика в любых шумовых условиях.

Если мы затронули такое устройство, как GPS-навигатор для автомобиля, то полностью описать его возможности как прибора, имеющего процессор и монитор, не удастся. С каждым днем эта техника модернизируется. И неудивительно, если скоро автонавигатор будет представлять собой мощный, адаптированный к автомобилю компьютер с возможностями, о которых мы можем только догадываться.

Если комфорт в путешествии и уверенность на дороге для вас - немаловажный фактор, то спутниковый GPS-навигатор - это то, чем вам следует обзавестись в первую очередь. Ведь современный мир с большой и емкой дорожной инфраструктурой усложняет жизнь водителям, вынужденным постоянно следить за дорогой, находясь порой в крайнем нервном напряжении. Приобретите достойный для себя электронный путеводитель - и когда-то напряженная езда по переполненным уличным магистралям превратится в отдых, а возможно, и в приятное развлечение.

65 нанометров - следующая цель зеленоградского завода «Ангстрем-Т», которая будет стоить 300-350 миллионов евро. Заявку на получение льготного кредита под модернизацию технологий производства предприятие уже подало во Внешэкономбанк (ВЭБ), сообщили на этой неделе «Ведомости» со ссылкой на председателя совета директоров завода Леонида Реймана. Сейчас «Ангстрем-Т» готовится запустить линию производства микросхем с топологией 90нм. Выплаты по прошлому кредиту ВЭБа, на который она приобреталась, начнутся в середине 2017 года.

Пекин обвалил Уолл-стрит

Ключевые американские индексы отметили первые дни Нового года рекордным падением, миллиардер Джордж Сорос уже предупредил о том, что мир ждет повторение кризиса 2008 года.

Первый российский потребительский процесор Baikal-T1 ценой $60 запускают в массовое производство

Компания «Байкал Электроникс» в начале 2016 года обещает запустить в промышленное производство российский процессор Baikal-T1 стоимостью около $60. Устройства будут пользоваться спросом, если этот спрос создаст государство, говорят участники рынка.

МТС и Ericsson будут вместе разрабатывать и внедрять 5G в России

ПАО "Мобильные ТелеСистемы" и компания Ericsson заключили соглашения о сотрудничестве в области разработки и внедрения технологии 5G в России. В пилотных проектах, в том числе во время ЧМ-2018, МТС намерен протестировать разработки шведского вендора. В начале следующего года оператор начнет диалог с Минкомсвязи по вопросам сформирования технических требований к пятому поколению мобильной связи.

Сергей Чемезов: Ростех уже входит в десятку крупнейших машиностроительных корпораций мира

Глава Ростеха Сергей Чемезов в интервью РБК ответил на острые вопросы: о системе «Платон», проблемах и перспективах АВТОВАЗа, интересах Госкорпорации в фармбизнесе, рассказал о международном сотрудничестве в условиях санкционного давления, импортозамещении, реорганизации, стратегии развития и новых возможностях в сложное время.

Ростех "огражданивается" и покушается на лавры Samsung и General Electric

Набсовет Ростеха утвердил "Стратегию развития до 2025 года". Основные задачи – увеличить долю высокотехнологичной гражданской продукции и догнать General Electric и Samsung по ключевым финансовым показателям.

НАВИГАЦИОННЫЕ РАДИОСИГНАЛЫ

Принцип работы системы
навигации

НАВИГАЦИОННОЕ СООБЩЕНИЕ

CИСТЕМЫ КООРДИНАТ

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СНИЖЕНИЕ ТОЧНОСТИ

СИСТЕМЫ ВРЕМЕНИ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ НАВИГАЦИИ

Основные элементы спутниковой системы навигации

Космический сегмент

Космический сегмент, состоящий из навигационных спутников, представляет собой совокупность источников радионавигационных сигналов, передающих одновременно значительный объем служебной информации. Основные функции каждого спутника - формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей и контроля бортовых систем спутника.

Наземный сегмент

В состав наземного сегмента входят космодром, командно-измерительный комплекс и центр управления. Космодром обеспечивает вывод спутников на требуемые орбиты при первоначальном развертывании навигационной системы, а также периодическое восполнение спутников по мере их выхода из строя или выработки ресурса. Главными объектами космодрома являются техническая позиция и стартовый комплекс. Техническая позиция обеспечивает прием, хранение и сборку ракет-носителей и спутников, их испытания, заправку и состыковку. В число задач стартового комплекса входят: доставка носителя с навигационным спутником на стартовую площадку, установка на пусковую систему, предполетные испытания, заправка носителя, наведение и пуск.

Командно-измерительный комплекс служит для снабжения навигационных спутников служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля и управления ими как космическими аппаратами.

Центр управления, связанный информационными и управляющими радиолиниями с космодромом и командно-измерительным комплексом, координирует функционирование всех элементов спутниковой навигационной системы.

Пользовательский сегмент

В пользовательский сегмент входит аппаратура потребителей. Она предназначается для приема сигналов от навигационных спутников, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре потребителя предусматривается специализированный встроенный компьютер. Разнообразие существующей аппаратуры потребителей обеспечивает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в пределах ближнего космоса) потребителей.

Принцип работы системы навигации

Современная спутниковая навигация основывается на использовании принципа беззапросных дальномерных измерений между навигационными спутниками и потребителем. Это означает, что потребителю передается в составе навигационного сигнала информация о координатах спутников. Одновременно (синхронно) производятся измерения дальностей до навигационных спутников. Способ измерений дальностей основывается на вычислении временных задержек принимаемого сигнала от спутника по сравнению с сигналом, генерируемым аппаратурой потребителя.

На рисунке приведена схема определений местоположения потребителя с координатами x, y, z на основе измерений дальности до четырех навигационных спутников. Цветными яркими линиями показаны окружности, в центре которых расположены спутники. Радиусы окружностей соответствуют истинным дальностям, т.е. истинным расстояниям между спутниками и потребителем. Цветные неяркие линии - это окружности с радиусами, соответствующими измеренным дальностям, которые отличаются от истинных и поэтому называются псевдодальностями. Истинная дальность отличается от псевдодальности на величину, равную произведению скорости света на уход часов b, т.е. величину смещения часов потребителя по отношению к системному времени. На рисунке показан случай, когда уход часов потребителя больше нуля – то есть часы потребителя опережают системное время, поэтому измеренные псевдодальности меньше истинных дальностей.

В идеальном варианте, когда измерения производятся точно и показания часов спутников и потребителя совпадают для определения положения потребителя в пространстве достаточно произвести измерения до трех навигационных спутников.

В действительности показания часов, которые входят в состав навигационной аппаратуры потребителя, отличаются от показаний часов на борту навигационных спутников. Тогда для решения навигационной задачи к неизвестным ранее параметрам (три координаты потребителя) следует добавить еще один - смещение между часами потребителя и системным временем. Отсюда следует, что в общем случае для решения навигационной задачи потребитель должен «видеть», как минимум, четыре навигационных спутника.

Системы координат

Для функционирования навигационных спутниковых систем необходимы данные о параметрах вращения Земли, фундаментальные эфемериды Луны и планет, данные о гравитационном поле Земли, о моделях атмосферы, а также высокоточные данные об используемых системах координат и времени.

Геоцентрические системы координат - системы координат, начало которых совпадает с центром масс Земли. Их также называют общеземными или глобальными.

Для построения и поддержания общеземных систем координат используются четыре основных метода космической геодезии:

• радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ),
• лазерная локация космических аппаратов (SLR),
• доплеровские измерительные системы (DORIS),
• навигационные измерения космических аппаратов ГЛОНАСС и других ГНСС.

Международная земная система координат ITRF является эталоном земной системы координат.

В современных навигационных спутниковых системах используются различные, как правило национальные, системы координат.

Системы времени

В соответствии с решаемыми задачами применяются два типа систем времени: астрономические и атомные.

Системы астрономического времени основаны на суточном вращении Земли. Эталоном для построения шкал астрономического времени служат солнечные или звездные сутки, в зависимости от точки небесной сферы, по которой производится измерение времени.

Всемирное время UT (Universal Time) – это среднее солнечное время на гринвическом меридиане.

Всемирное координированное время UTC синхронизировано с атомным временем и является международным стандартом, на котором базируется гражданское время.

Атомное время (TAI) - время, в основу измерения которого положены электромагнитные колебания, излучаемые атомами или молекулами при переходе из одного энергетического состояния в другое. В 1967 году на Генеральной конференции мер и весов атомная секунда представляет собой переход между сверхтонкими уровнями F=4, M=0 и F=3, M=0 основного состояния 2S1/2 атома цезия-133, не возмущённого внешними полями, и что частоте этого перехода приписывается значение 9 192 631 770 Герц.

Спутниковая радионавигационная система является пространственно-временной системой с зоной действия, охватывающей всё околоземное пространство, и функционирует в собственном системном времени. Важное место в ГНСС отводится проблеме временной синхронизации подсистем. Временная синхронизация важна и для обеспечения заданной последовательности излучения сигналов всех навигационных спутников. Она обусловливает возможность применения пассивных дальномерных (псевдодальномерных) методов измерений. Наземный командно-измерительный комплекс обеспечивает синхронизацию шкал времени всех навигационных КА путем их сверки и коррекции (непосредственной и алгоритмической).

Навигационные радиосигналы

Навигационных радиосигналы

При выборе типов и параметров сигналов, используемых в спутниковых радионавигационных системах, учитывается целый комплекс требований и условий. Сигналы должны обеспечивать высокую точность измерения времени прихода (задержки) сигнала и его доплеровской частоты и высокую вероятность правильного декодирования навигационного сообщения. Также сигналы должны иметь низкий уровень взаимной корреляции для того, чтобы сигналы разных навигационных космических аппаратов надежно различались навигационной аппаратурой потребителей. Кроме того, сигналы ГНСС должны максимально эффективно использовать отведенную полосу частот при малом уровне внеполосного излучения, обладать высокой помехоустойчивостью.

Почти все существующие навигационные спутниковые системы, за исключением индийской системы NAVIC, используют для передачи сигналов диапазон L. Система NAVIC будет излучать сигналы дополнительно и в S диапазоне.

Диапазоны, занимаемые различными навигационными спутниковыми системами

Виды модуляции

По мере развития спутниковых навигационных систем изменялись используемые виды модуляции радиосигналов.
В большинстве навигационных систем изначально использовались исключительно сигналы с бинарной (двухпозиционной) фазовой модуляцией – ФМ-2 (BPSK). В настоящее время в спутниковой навигации начался переход к новому классу модулирующих функций, получивших название BOC (Binary Offset Carrier)-сигналов.

Принципиальное отличие BOC-сигналов от сигналов с ФМ-2 состоит в том, что символ модулирующей ПСП BOC-сигнала представляет собой не прямоугольный видеоимпульс, а отрезок меандрового колебания, включающий в себя некоторое постоянное число периодов k. Поэтому сигналы с BOC-модуляцией часто называют меандровыми шумоподобными сигналами.

Использование сигналов с BOC-модуляцией повышает потенциальную точность измерения и разрешающую способность по задержке. Одновременно с этим, уменьшается уровень взаимных помех при совместном функционировании навигационных систем, использующих традиционные и новые сигналы.

Навигационное сообщение

Каждый спутник принимает с наземных станций управления навигационную информацию, которая передается обратно пользователям в составе навигационного сообщения. Навигационное сообщение содержит разные типы информации, необходимые для того, чтобы определить местоположение пользователя и синхронизовать его шкалу времени с национальным эталоном.

Типы информации навигационного сообщения

• Эфемеридная информация, необходимая для вычисления координат спутника с достаточной точностью
• Погрешность расхождения бортовой шкалы времени относительно системной шкалы времени для учета смещения времени космического аппарата при навигационных измерениях
• Расхождение между шкалой времени навигационной системы и национальной шкалой времени, для решения задачи синхронизации потребителей
• Признаки пригодности с информацией о состоянии спутника для оперативного исключения спутников с выявленными отказами из навигационного решения
• Альманах с информацией об орбитах и состоянии всех аппаратов в группировке для долгосрочного грубого прогноза движения спутников и планирования измерений
• Параметры модели ионосферы, необходимые одночастотным приемникам для компенсации погрешностей навигационных измерений, связанных с задержкой распространения сигналов в ионосфере
• Параметры вращения Земли для точного пересчета координат потребителя в разных системах координат

Признаки пригодности обновляются в течение нескольких секунд при обнаружении отказа. Параметры эфемерид и времени, как правило, обновляются не чаще, чем раз в полчаса. При этом период обновления для разных систем сильно отличается и может достигать четырех часов, в то время как альманах обновляется не чаще, чем раз в день.

По своему содержанию навигационное сообщение подразделяется на оперативную и неоперативную информацию и передается в виде потока цифровой информации (ЦИ). Изначально во всех навигационных спутниковых системах использовалась структура вида «суперкадр/кадр/строка/слово». При этой структуре поток ЦИ формируется в виде непрерывно повторяющихся суперкадров, суперкадр состоит из нескольких кадров, кадр состоит из нескольких строк.
В соответствии со структурой «суперкадр/кадр/строка/слово» формировались сигналы системы БЕЙДОУ, ГАЛИЛЕО (кроме E6), GPS (LNAV данные, L1), сигналы ГЛОНАСС с частотным разделением. В зависимости от системы, размеры суперкадров, кадров и строк могут отличаться, но принцип формирования остается похожим.

Сейчас в большинстве сигналов используется гибкая строковая структура. В этой структуре навигационное сообщение формируется в виде переменного потока строк различных типов. Каждый тип строки имеет свою уникальную структуру и содержит определённый тип информации (указаны выше). НАП выделяет из потока очередную строку, определяет её тип и в соответствии с типом выделяет информацию, содержащуюся в этой строке.

Гибкая строковая структура навигационного сообщения позволяет значительно более эффективно использовать пропускную способность канала передачи данных. Но главным достоинством навигационного сообщения с гибкой строковой структурой является возможность её эволюционной модернизации при соблюдении принципа обратной совместимости. Для этого в ИКД для разработчиков НАП специально указывается, что если НАП в навигационном сообщении встречает строки неизвестных ей типов, то она должна их игнорировать. Это позволяет добавлять в процессе модернизации ГНСС к ранее существовавшим типам строк строки с новыми типами. НАП, выпущенная ранее, игнорирует строки с новыми типами и, следовательно, не использует те новации, которые вводятся в процессе модернизации ГНСС, но при этом её работоспособность не нарушается.
Сообщения сигналов ГЛОНАСС с кодовым разделением имеют строковую структуру.

Факторы, влияющие на снижение точности

На точность определения потребителем своих координат, скорости движения и времени влияет множество факторов, которые можно разделить на категории:

1. Системные погрешности, вносимые аппаратурой космического комплекса

   Погрешности, связанные с функционированием бортовой аппаратуры спутника и наземного комплекса управления ГНСС обусловлены в основном несовершенством частотно-временного и эфемеридного обеспечения.

2. Погрешности, возникающие на трассе распространения сигнала от космического аппарата до потребителя

   Погрешности обусловлены отличием скорости распространения радиосигналов в атмосфере Земли от скорости их распространения в вакууме, а также зависимостью скорости от физических свойств различных слоёв атмосферы.

3. Погрешности, возникающие в аппаратуре потребителя

   Аппаратурные погрешности подразделяются на систематическую погрешность аппаратурной задержки радиосигнала в АП и флуктуационные погрешности, обусловленные шумами и динамикой потребителя.

Кроме того, на точность навигационно-временного определения существенно влияет взаимное расположение навигационных спутников и потребителя.
Количественной характеристикой погрешности определения местоположения и поправки показаний часов, связанной с особенностями пространственного положения спутника и потребителя, служит так называемый геометрический фактор Γ Σ или коэффициент геометрии. В англоязычной литературе используется обозначение GDOP - Geometrical delusion of precision.
Геометрический фактор Γ Σ показывает, во сколько раз происходит уменьшение точности измерений и зависит от следующих параметров:

• Г п - геометрический фактор точности определения местоположения потребителя ГНСС в пространстве.
  Соответствует PDOP - Position delusion of precision.
• Г г - геометрический фактор точности определения местоположения потребителя ГНСС по горизонтали.
  Соответствует HDOP - Horizontal delusion of precision.
• Г в - геометрический фактор точности определения местоположения потребителя ГНСС по вертикали.
  Соответствует VDOP - Vertical delusion of precision.
• Г т - геометрический фактор точности определения поправки показаний часов потребителя ГНСС.
  Соответствует TDOP - Time delusion of precision.

Повышение точности навигации

Существующие в настоящее время глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) GPS и ГЛОНАСС позволяют удовлетворить потребности в навигационном обслуживании обширный круг потребителей. Но существует ряд задач, которые требуют высоких точностей навигации. К этим задачам относятся: взлет, заход на посадку и посадка самолетов, судовождение в прибрежных водах, навигация вертолетов и автомобилей и другие.

Классическим методом повышения точности навигационных определений является использование дифференциального (относительного) режима определений.

Дифференциальный режим предполагает использование одного или более базовых приёмников, размещённых в точках с известными координатами, которые одновременно с приёмником потребителя (подвижным, или мобильным) осуществляют приём сигналов одних и тех же спутников.

Повышение точности навигационных определений достигается за счёт того, что ошибки измерения навигационных параметров потребительского и базовых приёмников являются коррелированными. При формировании разностей измеряемых параметров большая часть таких погрешностей компенсируется.

В основе дифференциального метода лежит знание координат опорной точки – контрольно-корректирующей станции (ККС) или системы опорных станций, относительно которых могут быть вычислены поправки к определению псевдодальностей до навигационных спутников. Если эти поправки учесть в аппаратуре потребителя, то точность расчета, в частности, координат может быть повышена в десятки раз.

Для обеспечения дифференциального режима для большого региона – например, для России, стран Европы, США - передача корректирующих дифференциальных поправок осуществляется при помощи геостационарных спутников. Системы, реализующие такой подход, получили название широкозонные дифференциальные системы.